On the reconstruction of three-dimensional cloud fields by synergistic use of different remote sensing data

The objective of this study was to assess if new cloud datasets, namely horizontal fields of integrated cloud parameters and transects of cloud profiles becoming available from current and future satellites like MODIS and CloudSAT as well as EarthCARE will allow for the reconstruction of three-dimensional cloud fields. Because three-dimensional measured cloud fields do not exist, surrogate cloud fields were used to develop and test reconstruction techniques. In order to answer the question if surrogate cloud fields may represent real cloud fields and to evaluate potential constraints for cloud field reconstruction, statistics of surrogate cloud fields have been compared to statistics of various remote sensing retrievals. It has turned out that except for cloud droplet effective radius, which is too low, other cloud parameters are in line with parameters derived from measurements. The reconstruction approach is divided into two parts. The first one deals with the reconstruction of the cloud fields. Three techniques with varying complexity are presented constraining the reconstruction by measurements to various degrees. Whereas the first one applies only information of a satellite radiometer, the other two constrain the retrieval also by profile information measured within the domain. Comparing the reconstruction quality of the approaches, there is no superior algorithm performing better for all cloud fields. This might be ascribed to liquid water content profiles of the surrogate cloud fields close to their adiabatic reference. Consequently, the assumption of adiabatic liquid water content profiles of the first scheme yields adequate estimates and additional information from profiles does not improve the reconstruction. The second part of the reconstruction approach addresses the reconstruction quality by comparing parameters of radiative transfer describing photon path statistics as well as reflectances. Therefore three-dimensional radiative transfer simulations with a Monte Carlo code were carried out for the surrogate cloud fields as well as for the reconstructed cloud fields. It was assumed that deviations of the parameter simulated for the reconstructed cloud and the surrogate cloud field are smaller when reconstruction is more accurate. For parameter describing photon pathes it has been found that only deviations of geometrical pathlength statistics reflect the reconstruction quality to a certain degree. Deviations of other parameters like photon penetration depth do not allow for either assessing local differences in reconstruction quality by an individual reconstruction scheme or to infer the most appropriate reconstruction scheme. The differences in reflectances do also not enable to evaluate reconstruction quality. They prevent from gaining insight in local accuracy of reconstruction due to effects like horizontal photon transport weakening the relations between microphysical as well as optical properties and reflectances of the column. In order to address these effects, grids of various complexity, derived by applying photon path properties, were used to weight deviations of cloud properties when analyzing the relationships. Unfortunately, there is no increase of explained variance due to the application of the weighting grids. Additionally, the sensitivity of the results to the model set-up, namely the spatial resolution of the cloud fields as well as the simplification and neglection of ancillary parameters, were analyzed. Though one would assume a strengthening of relationships between deviations of cloud parameters and deviations of reflectances due to more reliable sampling and reduced inter-column transport of photons when column size increases, there is no indication for resolutions where an assessment of the reconstruction quality by means of reflectance deviations becomes feasible. It also has been shown that inappropriate treatment of aerosols in the radiative transfer simulation impose an error comparable in magnitude to differences in reflectances due to inaccurate cloud field reconstruction. This is especially the case when clouds are located in the boundary layer of the aerosol model. Consequently, appropriate aerosol models should be applied in the analysis. May be due to the low surface reflection and the high cloud optical depths, the representation of the surface reflection function seems to be of minor importance. Summarizing the results, differences in radiative transfer do not allow for the assessment of cloud field reconstruction quality. In order to accomplish the task of cloud field reconstruction, the reconstruction part could be constrained employing information from additional measurements. Observational geometries enabling to use tomographic methods and the application of additional wavelengths for validation might help, too.Ziel der Arbeit war die Evaluierung inwieweit Datensätze von Wolkenparametern, horizontale Felder integraler Wolkenparameter und Schnitte vertikal aufgelöster Parameter, zur Rekonstruktion dreidimensionaler Wolkenfelder genutzt werden können. Entsprechende Datensätze sind durch MODIS und CloudSAT erstmals vorhanden und werden zusätzlich mit dem Start von EarthCARE zur Verfügung stehen. Da dreidimensionale Wolkenfelder aus Messungen nicht existieren, wurden zur Entwicklung der Rekonstruktionsmethoden surrogate Wolkenfelder genutzt. Um die Qualität der surrogaten Wolkenfelder abzuschätzen und um mögliche Randbedingungen zur Rekonstruktion aufzuzeigen, wurden Statistiken der surrogaten Wolkenfelder mit denen unterschiedlicher Fernerkundungsprodukte verglichen. Dabei zeigte sich, dass, abgesehen von den gegenüber Messungen zu geringen Effektivradien der Wolkentropfen in den surrogaten Wolkenfeldern, die übrigen Wolkenparameter gut übereinstimmen. Der Rekonstruktionsansatz gliedert sich in zwei Teile. Der erste Teil beinhaltet die Rekonstruktion der Wolkenfelder. Dazu werden drei Techniken unterschiedlicher Komplexität genutzt, wobei die Komplexität durch den Grad der eingebundenen Messungen bestimmt wird. Während die einfachste Technik lediglich Informationen, wie sie aus Messungen mit einem Satellitenradiometer gewonnen werden können, nutzt, binden die anderen Techniken zusätzlich Profilinformationen aus dem beobachteten Gebiet ein. Analysen zeigten, dass keine der Methoden für alle untersuchten Wolkenfelder den anderen Methoden überlegen ist. Dies mag daran liegen, dass die Flüssigwasserprofile der surrogaten Wolkenfelder nur geringfügig von den in der ersten Rekonstruktionsmethode angenommenen adiabatischen Flüssigwasserprofilen abweichen, so dass die Nutzung der Profile kaum zusätzliche Information für die Rekonstruktion liefert. Im zweiten Teil des Rekonstruktionsansatzes wird die Qualität der rekonstruierten Wolkenfelder durch den Vergleich von Parametern des Strahlungstransfers, wie Photonenpfad-Statistiken und Strahlungsgrößen, evaluiert. Dazu wurden sowohl für die surrogaten Wolkenfelder als auch für die rekonstruierten Wolkenfelder dreidimensionale Strahlungstransfersimulationen mit einem Monte-Carlo-Modell durchgeführt. Angenommen wurde hierbei, dass eine bessere Rekonstruktionsqualität durch geringere Abweichungen der betrachteten Strahlungsparameter aus Simulationen mit rekonstruierten und surrogaten Wolkenfeldern gekennzeichnet ist. Bei den Parametern, die die Photonenwege beschreiben, unterstützen lediglich die Abweichungen der geometrischen Photonenweglängen diese These. Weder erlauben die Abweichungen der übrigen Parameter, zum Beispiel der Eindringtiefen, Rückschlüsse auf die lokale Rekonstruktionsqualität der einzelnen Methoden zu ziehen, noch ermöglichen sie die beste Rekonstruktionsmethode zu identifizieren. Auch die Unterschiede der simulierten Reflektanzen können nicht zur Bestimmung der Rekonstruktionsqualität herangezogen werden. Durch Effekte wie horizontale Photonentransporte werden die Zusammenhänge zwischen mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften und Reflektanzen der jeweiligen Gittersäule aufgeweicht, und folglich sind keine Rückschlüsse auf die lokale Rekonstruktionsqualität möglich. Um auf entsprechende Effekte einzugehen, wurden für die Analyse Wichtungsfelder unterschiedlicher Komplexität aus Photonenwegeigenschaften generiert, um diese zur Wichtung der Abweichungen der Wolkeneigenschaften zu nutzen. Der Anteil der erklärten Varianz konnte jedoch durch die Nutzung der entsprechenden Wichtungsfelder nicht erhöht werden. Zusätzlich wurden Sensitivitätsstudien hinsichtlich einzelner Vorgaben der Untersuchung durchgeführt. Dazu wurden sowohl der Einfluss der räumlichen Auflösung der Wolkenfelder als auch die Vereinfachung oder Nichtbetrachtung einzelner Modellparameter analysiert. Eine Reduzierung der Auflösung einhergehend mit einem zuverlässigeren Sampling und reduzierten Photonentransport zwischen den Gittersäulen führte zu keinem direkteren Zusammenhang zwischen den Abweichungen der Reflektanzen und den Abweichungen der mikrophysikalischen Eigenschaften. Folglich existiert keine Auflösung, die die Anwendung des Verfahrens ermöglichen würde. Ebenso wurde gezeigt, dass die unzureichende Einbeziehung von Aerosolen bei den Strahlungstransfersimulationen einen Fehler verursachen kann, der in der Größe dem Unterschied der Reflektanzen unzureichender Wolkenfeldrekonstruktionen gleichkommt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Wolken sich innerhalb der Grenzschicht des Aerosolmodells befinden. Entspechend sollte in solchen Situationen dem verwendeten Aerosolmodell besondere Beachtung geschenkt werden. Hingegen ist der Einfluss des Ansatzes, wie die Bodenreflektion beschrieben wird, eher gering. Dies mag an dem verwendeten Modell mit einer geringen Albedo in Kombination mit optisch dicken Wolken liegen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Unterschiede im Strahlungstransfer nicht zur Abschätzung der Rekonstruktionsqualität der Wolkenfelder herangezogen werden können. Um dem Ziel einer dreidimensionalen Wolkenfeldrekonstruktion näher zu kommen, könnten beim Rekonstruktionsteil Informationen aus zusätzlichen Messungen als Vorgaben genutzt werden. Ebenso könnten Beobachtungsgeometrien, welche die Anwendung tomographischer Methoden erlauben, sowie zusätzliche Wellenlängen zur Validierung der Rekonstruktionsergebnisse verwendet werden

On the reconstruction of three-dimensional cloud fields by synergistic use of different remote sensing data

The objective of this study was to assess if new cloud datasets, namely horizontal fields of integrated cloud parameters and transects of cloud profiles becoming available from current and future satellites like MODIS and CloudSAT as well as EarthCARE will allow for the reconstruction of three-dimensional cloud fields. Because three-dimensional measured cloud fields do not exist, surrogate cloud fields were used to develop and test reconstruction techniques. In order to answer the question if surrogate cloud fields may represent real cloud fields and to evaluate potential constraints for cloud field reconstruction, statistics of surrogate cloud fields have been compared to statistics of various remote sensing retrievals. It has turned out that except for cloud droplet effective radius, which is too low, other cloud parameters are in line with parameters derived from measurements. The reconstruction approach is divided into two parts. The first one deals with the reconstruction of the cloud fields. Three techniques with varying complexity are presented constraining the reconstruction by measurements to various degrees. Whereas the first one applies only information of a satellite radiometer, the other two constrain the retrieval also by profile information measured within the domain. Comparing the reconstruction quality of the approaches, there is no superior algorithm performing better for all cloud fields. This might be ascribed to liquid water content profiles of the surrogate cloud fields close to their adiabatic reference. Consequently, the assumption of adiabatic liquid water content profiles of the first scheme yields adequate estimates and additional information from profiles does not improve the reconstruction. The second part of the reconstruction approach addresses the reconstruction quality by comparing parameters of radiative transfer describing photon path statistics as well as reflectances. Therefore three-dimensional radiative transfer simulations with a Monte Carlo code were carried out for the surrogate cloud fields as well as for the reconstructed cloud fields. It was assumed that deviations of the parameter simulated for the reconstructed cloud and the surrogate cloud field are smaller when reconstruction is more accurate. For parameter describing photon pathes it has been found that only deviations of geometrical pathlength statistics reflect the reconstruction quality to a certain degree. Deviations of other parameters like photon penetration depth do not allow for either assessing local differences in reconstruction quality by an individual reconstruction scheme or to infer the most appropriate reconstruction scheme. The differences in reflectances do also not enable to evaluate reconstruction quality. They prevent from gaining insight in local accuracy of reconstruction due to effects like horizontal photon transport weakening the relations between microphysical as well as optical properties and reflectances of the column. In order to address these effects, grids of various complexity, derived by applying photon path properties, were used to weight deviations of cloud properties when analyzing the relationships. Unfortunately, there is no increase of explained variance due to the application of the weighting grids. Additionally, the sensitivity of the results to the model set-up, namely the spatial resolution of the cloud fields as well as the simplification and neglection of ancillary parameters, were analyzed. Though one would assume a strengthening of relationships between deviations of cloud parameters and deviations of reflectances due to more reliable sampling and reduced inter-column transport of photons when column size increases, there is no indication for resolutions where an assessment of the reconstruction quality by means of reflectance deviations becomes feasible. It also has been shown that inappropriate treatment of aerosols in the radiative transfer simulation impose an error comparable in magnitude to differences in reflectances due to inaccurate cloud field reconstruction. This is especially the case when clouds are located in the boundary layer of the aerosol model. Consequently, appropriate aerosol models should be applied in the analysis. May be due to the low surface reflection and the high cloud optical depths, the representation of the surface reflection function seems to be of minor importance. Summarizing the results, differences in radiative transfer do not allow for the assessment of cloud field reconstruction quality. In order to accomplish the task of cloud field reconstruction, the reconstruction part could be constrained employing information from additional measurements. Observational geometries enabling to use tomographic methods and the application of additional wavelengths for validation might help, too.Ziel der Arbeit war die Evaluierung inwieweit Datensätze von Wolkenparametern, horizontale Felder integraler Wolkenparameter und Schnitte vertikal aufgelöster Parameter, zur Rekonstruktion dreidimensionaler Wolkenfelder genutzt werden können. Entsprechende Datensätze sind durch MODIS und CloudSAT erstmals vorhanden und werden zusätzlich mit dem Start von EarthCARE zur Verfügung stehen. Da dreidimensionale Wolkenfelder aus Messungen nicht existieren, wurden zur Entwicklung der Rekonstruktionsmethoden surrogate Wolkenfelder genutzt. Um die Qualität der surrogaten Wolkenfelder abzuschätzen und um mögliche Randbedingungen zur Rekonstruktion aufzuzeigen, wurden Statistiken der surrogaten Wolkenfelder mit denen unterschiedlicher Fernerkundungsprodukte verglichen. Dabei zeigte sich, dass, abgesehen von den gegenüber Messungen zu geringen Effektivradien der Wolkentropfen in den surrogaten Wolkenfeldern, die übrigen Wolkenparameter gut übereinstimmen. Der Rekonstruktionsansatz gliedert sich in zwei Teile. Der erste Teil beinhaltet die Rekonstruktion der Wolkenfelder. Dazu werden drei Techniken unterschiedlicher Komplexität genutzt, wobei die Komplexität durch den Grad der eingebundenen Messungen bestimmt wird. Während die einfachste Technik lediglich Informationen, wie sie aus Messungen mit einem Satellitenradiometer gewonnen werden können, nutzt, binden die anderen Techniken zusätzlich Profilinformationen aus dem beobachteten Gebiet ein. Analysen zeigten, dass keine der Methoden für alle untersuchten Wolkenfelder den anderen Methoden überlegen ist. Dies mag daran liegen, dass die Flüssigwasserprofile der surrogaten Wolkenfelder nur geringfügig von den in der ersten Rekonstruktionsmethode angenommenen adiabatischen Flüssigwasserprofilen abweichen, so dass die Nutzung der Profile kaum zusätzliche Information für die Rekonstruktion liefert. Im zweiten Teil des Rekonstruktionsansatzes wird die Qualität der rekonstruierten Wolkenfelder durch den Vergleich von Parametern des Strahlungstransfers, wie Photonenpfad-Statistiken und Strahlungsgrößen, evaluiert. Dazu wurden sowohl für die surrogaten Wolkenfelder als auch für die rekonstruierten Wolkenfelder dreidimensionale Strahlungstransfersimulationen mit einem Monte-Carlo-Modell durchgeführt. Angenommen wurde hierbei, dass eine bessere Rekonstruktionsqualität durch geringere Abweichungen der betrachteten Strahlungsparameter aus Simulationen mit rekonstruierten und surrogaten Wolkenfeldern gekennzeichnet ist. Bei den Parametern, die die Photonenwege beschreiben, unterstützen lediglich die Abweichungen der geometrischen Photonenweglängen diese These. Weder erlauben die Abweichungen der übrigen Parameter, zum Beispiel der Eindringtiefen, Rückschlüsse auf die lokale Rekonstruktionsqualität der einzelnen Methoden zu ziehen, noch ermöglichen sie die beste Rekonstruktionsmethode zu identifizieren. Auch die Unterschiede der simulierten Reflektanzen können nicht zur Bestimmung der Rekonstruktionsqualität herangezogen werden. Durch Effekte wie horizontale Photonentransporte werden die Zusammenhänge zwischen mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften und Reflektanzen der jeweiligen Gittersäule aufgeweicht, und folglich sind keine Rückschlüsse auf die lokale Rekonstruktionsqualität möglich. Um auf entsprechende Effekte einzugehen, wurden für die Analyse Wichtungsfelder unterschiedlicher Komplexität aus Photonenwegeigenschaften generiert, um diese zur Wichtung der Abweichungen der Wolkeneigenschaften zu nutzen. Der Anteil der erklärten Varianz konnte jedoch durch die Nutzung der entsprechenden Wichtungsfelder nicht erhöht werden. Zusätzlich wurden Sensitivitätsstudien hinsichtlich einzelner Vorgaben der Untersuchung durchgeführt. Dazu wurden sowohl der Einfluss der räumlichen Auflösung der Wolkenfelder als auch die Vereinfachung oder Nichtbetrachtung einzelner Modellparameter analysiert. Eine Reduzierung der Auflösung einhergehend mit einem zuverlässigeren Sampling und reduzierten Photonentransport zwischen den Gittersäulen führte zu keinem direkteren Zusammenhang zwischen den Abweichungen der Reflektanzen und den Abweichungen der mikrophysikalischen Eigenschaften. Folglich existiert keine Auflösung, die die Anwendung des Verfahrens ermöglichen würde. Ebenso wurde gezeigt, dass die unzureichende Einbeziehung von Aerosolen bei den Strahlungstransfersimulationen einen Fehler verursachen kann, der in der Größe dem Unterschied der Reflektanzen unzureichender Wolkenfeldrekonstruktionen gleichkommt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Wolken sich innerhalb der Grenzschicht des Aerosolmodells befinden. Entspechend sollte in solchen Situationen dem verwendeten Aerosolmodell besondere Beachtung geschenkt werden. Hingegen ist der Einfluss des Ansatzes, wie die Bodenreflektion beschrieben wird, eher gering. Dies mag an dem verwendeten Modell mit einer geringen Albedo in Kombination mit optisch dicken Wolken liegen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Unterschiede im Strahlungstransfer nicht zur Abschätzung der Rekonstruktionsqualität der Wolkenfelder herangezogen werden können. Um dem Ziel einer dreidimensionalen Wolkenfeldrekonstruktion näher zu kommen, könnten beim Rekonstruktionsteil Informationen aus zusätzlichen Messungen als Vorgaben genutzt werden. Ebenso könnten Beobachtungsgeometrien, welche die Anwendung tomographischer Methoden erlauben, sowie zusätzliche Wellenlängen zur Validierung der Rekonstruktionsergebnisse verwendet werden

Atmosphärisches Konvektionspotential über Sachsen: Bestimmung des atmosphärischen Konvektionspotentials über Sachsen

Die Schriftenreihe informiert über Gefährdungspotentiale für Starkregen und Hagel, die durch den atmosphärischen Prozess der Konvektion ausgelöst sind. Neben der Erfassung des gegenwärtigen Potentials über Sachsen erfolgte auch eine Abschätzung unter zukünftig möglichen Klimarahmenbedingungen. Die Gefährdungspotentiale infolge hochreichender Konvektion und ihrer Begleiterscheinungen wie z.B. Hagel sind im Erzgebirge höher als im Vorland. Generell ist von einer Zunahme der Gefährdung im 21. Jahrhundert auszugehen, wobei die zu erwartenden Änderungen keine wesentliche flächenhafte Differenzierung zeigen. Die Ergebnisse dienen als Eingangsinformationen zur Risikobewertung und richten sich an Fachpublikum und die interessierte Öffentlichkeit. Redaktionsschluss: 09.01.202

Verfahren zur Ausweisung von Klima- und Klimaänderungsräumen: Verfahren zur objektivierten Ausweisung von Klima- und Klimaänderungsräumen

In der Veröffentlichung wird das Klassifizierungsverfahren vorgestellt. Mit dem Verfahren können flächenhafte Geometrien ausgewiesen werden, deren Grundlage Klimadaten sind oder auch Kombinationen mit anderen Fachdaten – u.a. aus Hydrologie, Bodenkunde, Forstwissenschaften und Sozialwissenschaften. Die Ergebnisse werden im GIS-kompatiblen Grid-Ascii-Format ausgegeben. Das Verfahren ist räumlich und zeitlich übertragbar. Das merkmalgetriebene Verfahren zur flächenhaften Differenzierung Sachsens ist eine von mehreren Maßnahmen, um fachübergreifende Themen wie z. B. Trockenheit besser erfassen zu können. Im Ergebnis lässt sich ein verbesserter Zugang zu solchen komplexen Folgen des Klimawandels erreichen, was die Entscheidung über wirkungsvolle Maßnahmen zur Anpassung erleichtert. Redaktionsschluss: 26.09.201

Meteorological, impact and climate perspectives of the 29 June 2017 heavy precipitation event in the Berlin metropolitan area

Extreme precipitation is a weather phenomenon with tremendous damaging potential for property and human life. As the intensity and frequency of such events is projected to increase in a warming climate, there is an urgent need to advance the existing knowledge on extreme precipitation processes, statistics and impacts across scales. To this end, a working group within the Germany-based project, ClimXtreme, has been established to carry out multidisciplinary analyses of high-impact events. In this work, we provide a comprehensive assessment of the 29 June 2017 heavy precipitation event (HPE) affecting the Berlin metropolitan region (Germany), from the meteorological, impacts and climate perspectives, including climate change attribution. Our analysis showed that this event occurred under the influence of a mid-tropospheric trough over western Europe and two shortwave surface lows over Britain and Poland (Rasmund and Rasmund II), inducing relevant low-level wind convergence along the German–Polish border. Over 11 000 convective cells were triggered, starting early morning 29 June, displacing northwards slowly under the influence of a weak tropospheric flow (10 m s−1 at 500 hPa). The quasi-stationary situation led to totals up to 196 mm d−1, making this event the 29 June most severe in the 1951–2021 climatology, ranked by means of a precipitation-based index. Regarding impacts, it incurred the largest insured losses in the period 2002 to 2017 (EUR 60 million) in the greater Berlin area. We provide further insights on flood attributes (inundation, depth, duration) based on a unique household-level survey data set. The major moisture source for this event was the Alpine–Slovenian region (63 % of identified sources) due to recycling of precipitation falling over that region 1 d earlier. Implementing three different generalised extreme value (GEV) models, we quantified the return periods for this case to be above 100 years for daily aggregated precipitation, and up to 100 and 10 years for 8 and 1 h aggregations, respectively. The conditional attribution demonstrated that warming since the pre-industrial era caused a small but significant increase of 4 % in total precipitation and 10 % for extreme intensities. The possibility that not just greenhouse-gas-induced warming, but also anthropogenic aerosols affected the intensity of precipitation is investigated through aerosol sensitivity experiments. Our multi-disciplinary approach allowed us to relate interconnected aspects of extreme precipitation. For instance, the link between the unique meteorological conditions of this case and its very large return periods, or the extent to which it is attributable to already-observed anthropogenic climate change.</p

Meteorological, impact and climate perspectives of the 29 June 2017 heavy precipitation event in the Berlin metropolitan area

Extreme precipitation is a weather phenomenon with tremendous damaging potential for property and human life. As the intensity and frequency of such events is projected to increase in a warming climate, there is an urgent need to advance the existing knowledge on extreme precipitation processes, statistics and impacts across scales. To this end, a working group within the Germany-based project, ClimXtreme, has been established to carry out multidisciplinary analyses of high-impact events. In this work, we provide a comprehensive assessment of the 29 June 2017 heavy precipitation event (HPE) affecting the Berlin metropolitan region (Germany), from the meteorological, impacts and climate perspectives, including climate change attribution. Our analysis showed that this event occurred under the influence of a mid-tropospheric trough over western Europe and two shortwave surface lows over Britain and Poland (Rasmund and Rasmund II), inducing relevant low-level wind convergence along the German–Polish border. Over 11 000 convective cells were triggered, starting early morning 29 June, displacing northwards slowly under the influence of a weak tropospheric flow (10 m s$^{−1}$ at 500 hPa). The quasi-stationary situation led to totals up to 196 mm d$^{−1}$, making this event the 29 June most severe in the 1951–2021 climatology, ranked by means of a precipitation-based index. Regarding impacts, it incurred the largest insured losses in the period 2002 to 2017 (EUR 60 million) in the greater Berlin area. We provide further insights on flood attributes (inundation, depth, duration) based on a unique household-level survey data set. The major moisture source for this event was the Alpine–Slovenian region (63 % of identified sources) due to recycling of precipitation falling over that region 1 d earlier. Implementing three different generalised extreme value (GEV) models, we quantified the return periods for this case to be above 100 years for daily aggregated precipitation, and up to 100 and 10 years for 8 and 1 h aggregations, respectively. The conditional attribution demonstrated that warming since the pre-industrial era caused a small but significant increase of 4 % in total precipitation and 10 % for extreme intensities. The possibility that not just greenhouse-gas-induced warming, but also anthropogenic aerosols affected the intensity of precipitation is investigated through aerosol sensitivity experiments. Our multi-disciplinary approach allowed us to relate interconnected aspects of extreme precipitation. For instance, the link between the unique meteorological conditions of this case and its very large return periods, or the extent to which it is attributable to already-observed anthropogenic climate change

On the reconstruction of three-dimensional cloud fields by synergistic use of different remote sensing data

The objective of this study was to assess if new cloud datasets, namely horizontal fields of integrated cloud parameters and transects of cloud profiles becoming available from current and future satellites like MODIS and CloudSAT as well as EarthCARE will allow for the reconstruction of three-dimensional cloud fields. Because three-dimensional measured cloud fields do not exist, surrogate cloud fields were used to develop and test reconstruction techniques. In order to answer the question if surrogate cloud fields may represent real cloud fields and to evaluate potential constraints for cloud field reconstruction, statistics of surrogate cloud fields have been compared to statistics of various remote sensing retrievals. It has turned out that except for cloud droplet effective radius, which is too low, other cloud parameters are in line with parameters derived from measurements. The reconstruction approach is divided into two parts. The first one deals with the reconstruction of the cloud fields. Three techniques with varying complexity are presented constraining the reconstruction by measurements to various degrees. Whereas the first one applies only information of a satellite radiometer, the other two constrain the retrieval also by profile information measured within the domain. Comparing the reconstruction quality of the approaches, there is no superior algorithm performing better for all cloud fields. This might be ascribed to liquid water content profiles of the surrogate cloud fields close to their adiabatic reference. Consequently, the assumption of adiabatic liquid water content profiles of the first scheme yields adequate estimates and additional information from profiles does not improve the reconstruction. The second part of the reconstruction approach addresses the reconstruction quality by comparing parameters of radiative transfer describing photon path statistics as well as reflectances. Therefore three-dimensional radiative transfer simulations with a Monte Carlo code were carried out for the surrogate cloud fields as well as for the reconstructed cloud fields. It was assumed that deviations of the parameter simulated for the reconstructed cloud and the surrogate cloud field are smaller when reconstruction is more accurate. For parameter describing photon pathes it has been found that only deviations of geometrical pathlength statistics reflect the reconstruction quality to a certain degree. Deviations of other parameters like photon penetration depth do not allow for either assessing local differences in reconstruction quality by an individual reconstruction scheme or to infer the most appropriate reconstruction scheme. The differences in reflectances do also not enable to evaluate reconstruction quality. They prevent from gaining insight in local accuracy of reconstruction due to effects like horizontal photon transport weakening the relations between microphysical as well as optical properties and reflectances of the column. In order to address these effects, grids of various complexity, derived by applying photon path properties, were used to weight deviations of cloud properties when analyzing the relationships. Unfortunately, there is no increase of explained variance due to the application of the weighting grids. Additionally, the sensitivity of the results to the model set-up, namely the spatial resolution of the cloud fields as well as the simplification and neglection of ancillary parameters, were analyzed. Though one would assume a strengthening of relationships between deviations of cloud parameters and deviations of reflectances due to more reliable sampling and reduced inter-column transport of photons when column size increases, there is no indication for resolutions where an assessment of the reconstruction quality by means of reflectance deviations becomes feasible. It also has been shown that inappropriate treatment of aerosols in the radiative transfer simulation impose an error comparable in magnitude to differences in reflectances due to inaccurate cloud field reconstruction. This is especially the case when clouds are located in the boundary layer of the aerosol model. Consequently, appropriate aerosol models should be applied in the analysis. May be due to the low surface reflection and the high cloud optical depths, the representation of the surface reflection function seems to be of minor importance. Summarizing the results, differences in radiative transfer do not allow for the assessment of cloud field reconstruction quality. In order to accomplish the task of cloud field reconstruction, the reconstruction part could be constrained employing information from additional measurements. Observational geometries enabling to use tomographic methods and the application of additional wavelengths for validation might help, too.Ziel der Arbeit war die Evaluierung inwieweit Datensätze von Wolkenparametern, horizontale Felder integraler Wolkenparameter und Schnitte vertikal aufgelöster Parameter, zur Rekonstruktion dreidimensionaler Wolkenfelder genutzt werden können. Entsprechende Datensätze sind durch MODIS und CloudSAT erstmals vorhanden und werden zusätzlich mit dem Start von EarthCARE zur Verfügung stehen. Da dreidimensionale Wolkenfelder aus Messungen nicht existieren, wurden zur Entwicklung der Rekonstruktionsmethoden surrogate Wolkenfelder genutzt. Um die Qualität der surrogaten Wolkenfelder abzuschätzen und um mögliche Randbedingungen zur Rekonstruktion aufzuzeigen, wurden Statistiken der surrogaten Wolkenfelder mit denen unterschiedlicher Fernerkundungsprodukte verglichen. Dabei zeigte sich, dass, abgesehen von den gegenüber Messungen zu geringen Effektivradien der Wolkentropfen in den surrogaten Wolkenfeldern, die übrigen Wolkenparameter gut übereinstimmen. Der Rekonstruktionsansatz gliedert sich in zwei Teile. Der erste Teil beinhaltet die Rekonstruktion der Wolkenfelder. Dazu werden drei Techniken unterschiedlicher Komplexität genutzt, wobei die Komplexität durch den Grad der eingebundenen Messungen bestimmt wird. Während die einfachste Technik lediglich Informationen, wie sie aus Messungen mit einem Satellitenradiometer gewonnen werden können, nutzt, binden die anderen Techniken zusätzlich Profilinformationen aus dem beobachteten Gebiet ein. Analysen zeigten, dass keine der Methoden für alle untersuchten Wolkenfelder den anderen Methoden überlegen ist. Dies mag daran liegen, dass die Flüssigwasserprofile der surrogaten Wolkenfelder nur geringfügig von den in der ersten Rekonstruktionsmethode angenommenen adiabatischen Flüssigwasserprofilen abweichen, so dass die Nutzung der Profile kaum zusätzliche Information für die Rekonstruktion liefert. Im zweiten Teil des Rekonstruktionsansatzes wird die Qualität der rekonstruierten Wolkenfelder durch den Vergleich von Parametern des Strahlungstransfers, wie Photonenpfad-Statistiken und Strahlungsgrößen, evaluiert. Dazu wurden sowohl für die surrogaten Wolkenfelder als auch für die rekonstruierten Wolkenfelder dreidimensionale Strahlungstransfersimulationen mit einem Monte-Carlo-Modell durchgeführt. Angenommen wurde hierbei, dass eine bessere Rekonstruktionsqualität durch geringere Abweichungen der betrachteten Strahlungsparameter aus Simulationen mit rekonstruierten und surrogaten Wolkenfeldern gekennzeichnet ist. Bei den Parametern, die die Photonenwege beschreiben, unterstützen lediglich die Abweichungen der geometrischen Photonenweglängen diese These. Weder erlauben die Abweichungen der übrigen Parameter, zum Beispiel der Eindringtiefen, Rückschlüsse auf die lokale Rekonstruktionsqualität der einzelnen Methoden zu ziehen, noch ermöglichen sie die beste Rekonstruktionsmethode zu identifizieren. Auch die Unterschiede der simulierten Reflektanzen können nicht zur Bestimmung der Rekonstruktionsqualität herangezogen werden. Durch Effekte wie horizontale Photonentransporte werden die Zusammenhänge zwischen mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften und Reflektanzen der jeweiligen Gittersäule aufgeweicht, und folglich sind keine Rückschlüsse auf die lokale Rekonstruktionsqualität möglich. Um auf entsprechende Effekte einzugehen, wurden für die Analyse Wichtungsfelder unterschiedlicher Komplexität aus Photonenwegeigenschaften generiert, um diese zur Wichtung der Abweichungen der Wolkeneigenschaften zu nutzen. Der Anteil der erklärten Varianz konnte jedoch durch die Nutzung der entsprechenden Wichtungsfelder nicht erhöht werden. Zusätzlich wurden Sensitivitätsstudien hinsichtlich einzelner Vorgaben der Untersuchung durchgeführt. Dazu wurden sowohl der Einfluss der räumlichen Auflösung der Wolkenfelder als auch die Vereinfachung oder Nichtbetrachtung einzelner Modellparameter analysiert. Eine Reduzierung der Auflösung einhergehend mit einem zuverlässigeren Sampling und reduzierten Photonentransport zwischen den Gittersäulen führte zu keinem direkteren Zusammenhang zwischen den Abweichungen der Reflektanzen und den Abweichungen der mikrophysikalischen Eigenschaften. Folglich existiert keine Auflösung, die die Anwendung des Verfahrens ermöglichen würde. Ebenso wurde gezeigt, dass die unzureichende Einbeziehung von Aerosolen bei den Strahlungstransfersimulationen einen Fehler verursachen kann, der in der Größe dem Unterschied der Reflektanzen unzureichender Wolkenfeldrekonstruktionen gleichkommt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Wolken sich innerhalb der Grenzschicht des Aerosolmodells befinden. Entspechend sollte in solchen Situationen dem verwendeten Aerosolmodell besondere Beachtung geschenkt werden. Hingegen ist der Einfluss des Ansatzes, wie die Bodenreflektion beschrieben wird, eher gering. Dies mag an dem verwendeten Modell mit einer geringen Albedo in Kombination mit optisch dicken Wolken liegen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Unterschiede im Strahlungstransfer nicht zur Abschätzung der Rekonstruktionsqualität der Wolkenfelder herangezogen werden können. Um dem Ziel einer dreidimensionalen Wolkenfeldrekonstruktion näher zu kommen, könnten beim Rekonstruktionsteil Informationen aus zusätzlichen Messungen als Vorgaben genutzt werden. Ebenso könnten Beobachtungsgeometrien, welche die Anwendung tomographischer Methoden erlauben, sowie zusätzliche Wellenlängen zur Validierung der Rekonstruktionsergebnisse verwendet werden

Atmosphärisches Konvektionspotential über Sachsen: Bestimmung des atmosphärischen Konvektionspotentials über Sachsen

Die Schriftenreihe informiert über Gefährdungspotentiale für Starkregen und Hagel, die durch den atmosphärischen Prozess der Konvektion ausgelöst sind. Neben der Erfassung des gegenwärtigen Potentials über Sachsen erfolgte auch eine Abschätzung unter zukünftig möglichen Klimarahmenbedingungen. Die Gefährdungspotentiale infolge hochreichender Konvektion und ihrer Begleiterscheinungen wie z.B. Hagel sind im Erzgebirge höher als im Vorland. Generell ist von einer Zunahme der Gefährdung im 21. Jahrhundert auszugehen, wobei die zu erwartenden Änderungen keine wesentliche flächenhafte Differenzierung zeigen. Die Ergebnisse dienen als Eingangsinformationen zur Risikobewertung und richten sich an Fachpublikum und die interessierte Öffentlichkeit. Redaktionsschluss: 09.01.202

Verfahren zur Ausweisung von Klima- und Klimaänderungsräumen: Verfahren zur objektivierten Ausweisung von Klima- und Klimaänderungsräumen

In der Veröffentlichung wird das Klassifizierungsverfahren vorgestellt. Mit dem Verfahren können flächenhafte Geometrien ausgewiesen werden, deren Grundlage Klimadaten sind oder auch Kombinationen mit anderen Fachdaten – u.a. aus Hydrologie, Bodenkunde, Forstwissenschaften und Sozialwissenschaften. Die Ergebnisse werden im GIS-kompatiblen Grid-Ascii-Format ausgegeben. Das Verfahren ist räumlich und zeitlich übertragbar. Das merkmalgetriebene Verfahren zur flächenhaften Differenzierung Sachsens ist eine von mehreren Maßnahmen, um fachübergreifende Themen wie z. B. Trockenheit besser erfassen zu können. Im Ergebnis lässt sich ein verbesserter Zugang zu solchen komplexen Folgen des Klimawandels erreichen, was die Entscheidung über wirkungsvolle Maßnahmen zur Anpassung erleichtert. Redaktionsschluss: 26.09.201